Le confort thermique en toute saison  

Auteurs : Katia Allegraud, Claire CALMET, Frédéric Pérez 

 

Résumé : [Séquence] Les élèves doivent réaliser des prototypes de maisons sous forme de maquettes respectant la contrainte suivante : nous sommes en hiver, et il doit faire le plus chaud possible à l’intérieur de la maison en utilisant comme seule source d’énergie le rayonnement solaire. Dans  la classe, cette situation sera simulée grâce à une source lumineuse de type spot de chantier. 

 

Publication : 23 Novembre 2016 

 

Objectifs : Appréhender les questionnements liés à l’énergie dans l’habitat et les principes de  l’isolation  thermique.  Travailler  en  équipe  à  la  conception  d’un  objet  technique répondant  à  un  besoin  et  respectant  des  contraintes.  S’exercer  à  mettre  en  œuvre  un protocole de mesure. Choisir des matériaux adaptés. 

 

Durée : 2h à 2h45 selon l'option choisie 

 

Matériel : 

 

Des contenants identiques pour donner le gabarit de la maison : bacs en plastique, boîtes en carton (type petits aquariums), parallélépipèdes en bois (voir descriptif)… Dimensions  typiques:  L  15  cm,  P  10  cm,  H  13  cm  environ.  Prévoir  un  gabarit  par groupe,  et  idéalement  quelques‐uns  en  plus  si  les  élèves  souhaitent  faire  des comparaisons au sein d’un même groupe. Le contenant ne doit pas être opaque, ou alors permettre la création d’ouvertures pour simuler les fenêtres. 

2 thermomètres par groupe + quelques thermomètres supplémentaires. 

Un  paquet  de  transparents  (pour  simuler  le  vitrage  des  habitations).  On  peut également  fournir  en  complément  des  plaques  de  verre  dont  les  bords  coupants soient protégés ou des plaques de plexiglas. 

Un paquet de feuilles noires 

Rouleaux de scotch transparent 

Matériaux divers pour l’isolation : carton, laine de mouton, polystyrène, papier bulle 

Liants : ficelle, élastiques 

Papier aluminium 

Outils de découpe : cutters, paires de ciseaux 

Règles, mètres ruban 

Supports pour protéger les tables lors des découpes (plaques de bois) 

Sources  lumineuses  intenses  (type  spots  de  type  chantier,  ampoules  halogène  400 W). 

 Mise  en  garde  :  procéder  à  des  tests  avant  la  séance  pour  vérifier  que  la  source  est suffisamment puissante pour provoquer une hausse de température significative dans les prototypes. Il faut également vérifier  la distance à adopter par rapport à la source : trop loin,  l’élévation de  température sera  trop  faible. Ne pas plaquer  les prototypes contre  le spot car il y a risque de fusion des éléments en plastique composant la maquette. 

 

Place dans les programmes  

Identifier différentes sources et connaitre quelques conversions d’énergie : 

L’énergie  existe  sous  différentes  formes  (énergie  associée  à  un  objet  en mouvement, énergie thermique, électrique…). 

Prendre conscience que l’être humain a besoin d’énergie pour vivre, se chauffer, se déplacer, s’éclairer… 

Quelques dispositifs visant à économiser la consommation d’énergie. 

 

Concevoir  et  produire  tout  ou  partie  d’un  objet  technique  en  équipe  pour  traduire  une solution technologique répondant à un besoin : 

Notion de contrainte. 

Recherche d’idées (schémas, croquis…). 

Choix de matériaux. 

Maquette, prototype. 

 

Introduction  

Cette  séquence  est  librement  inspirée  du  concours  international  Solar  Décathlon  (voir également  la  page  wikipedia  du  concours)  une  compétition  biennale  internationale d'architecture, de design, d'urbanisme et d'ingénierie, ouverte à des équipes universitaires pluridisciplinaires, en partenariat avec des entreprises. Le défi est de concevoir et réaliser un logement prototype de 75 m² utilisant le Soleil comme unique source d’énergie (outre la chaleur dégagée par les habitants et les appareils électriques). 

Cette  activité  peut  également  être  proposée  en  formation  pour  adultes  :  elle  a  déjà  été mise  en œuvre dans  ce  contexte,  que  ce  soit  en  formation  continue ou  initiale  avec  des étudiants de M2. 

 

Note pédagogique  

Cette activité peut faire l’objet d’un réinvestissement de séquences menées préalablement avec les élèves portant sur les matériaux en tant qu’isolants thermiques (exemple d’un pull) et  sur  le  choix  des  matériaux  pour  réaliser  un  chauffe‐eau  solaire.  Vous  trouverez  deux séquences  abordant  ces  notions  sur  le  site  de  la  Fondation  La main  à  la  pâte  au  sein  du projet thématique Ma maison, ma planète et moi . 

 

Le  défi  peut  également  constituer  une  séance  introductive  aux  deux  séquences  citées  ci‐dessus. 

 

1. Lancement de l'activité et réflexion par écrit  

Lancement de l’activité (5 à 10 min)  

L’enseignant présente  le contexte de  l’activité aux élèves  :  la classe va se  lancer dans un concours de prototypes de maisons.  Il  s’agit de concevoir une maquette de maison dans laquelle  il  fasse  chaud  en  hiver, même  sans  avoir  recours  à  des  dispositifs  de  chauffage (radiateurs,  etc.).  La  seule  forme  d’énergie  thermique  utilisable  est  le  rayonnement «solaire», qui sera ici remplacé par des lampes. 

 

L’enseignant  résume  les  conditions  du  défi  par  la  question  :  «  comment  faire  pour  qu’il fasse  le  plus  chaud  possible  dans  votre  prototype  en  utilisant  comme  seule  source d’énergie le rayonnement de la lampe ? » 

 

Les élèves sont répartis en groupes, chaque groupe étant responsable de la conception d’un prototype.  Afin  que  tous  partent  de  la  même  base,  chaque  groupe  reçoit  un  gabarit identique qui représente la structure de la maison et a accès à la liste du matériel qui peut être utilisé pour répondre au défi (voir liste de matériel). 

 

A  la fin de l’activité, chaque groupe devra présenter son prototype aux autres et défendre son projet. Pour cela, il devra se donner les moyens de prouver aux autres les performances de son système. 

 

Phase 1 (5 à 10 min)  

Dans  un  premier  temps,  les  élèves  notent  individuellement  par  écrit  leurs  idées  pour répondre au défi : schéma et matériel nécessaire. 

 

L’enseignant circule dans les groupes et alerte les élèves qui n’en auraient pas conscience sur le fait qu’on simule une maison : les gabarits délimitent l’espace intérieur du prototype, que l’on ne doit pas réduire (on ne remplit pas une maison entièrement d’isolant !). 

 

Note pour  l’utilisation des  sources  lumineuses  :  La  source  sera placée de  façon à éclairer principalement la « façade sud » des maquettes et non leur « toiture » ou les autres façades (on cherche à simuler l’éclairage rasant d’un soleil d’hiver, à midi). Exemple de disposition avec  des  spots  de  chantier  (dans  le  cas  d’utilisation  de  lampes moins  puissantes,  il  faut ajuster  les  distances  et  le  nombre  de  prototypes  par  lampe):  chaque  spot  est  disposé allumé, face à une table. Les prototypes, une fois réalisés, devront être placés à environ un mètre du spot. Il y a suffisamment de place pour disposer 4 prototypes en face de chaque spot (voir photo ci‐dessous). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quatre prototypes face à un spot halogène de puissance 400 W. La source lumineuse est au même niveau que les maquettes, qui sont posées sur une table. Pour les meilleurs prototypes, la  température d’équilibre peut dépasser  les 40  °C. On notera  la présence du  thermomètre mesurant la température de l’air de la pièce. 

 

Note pédagogique  

Ici, les contraintes sont directement cadrées par l’enseignant et l’activité met le focus sur le juste  choix  des matériaux,  la  conception  des  prototypes,  et  l’élaboration  du  protocole  de mesure.  L’enseignant  peut  également  faire  le  choix  d’ajouter  en  amont  une  phase  de réflexion avec les élèves pour qu’ils établissent les contraintes eux‐mêmes. 

 

Phase 2 (15 min)  

Chaque groupe dispose de 10 minutes pour échanger et établir les critères de sa maquette, ainsi que la liste du matériel nécessaire. 

 

2. Conception et réalisation des maquettes  

Phase 3 Conception et réalisation des maquettes (30 minutes)  

Les  groupes  disposent  de  30 minutes  pour  fabriquer  le  prototype  en  utilisant  du matériel présent dans la salle. 

 

Phase 3 bis optionnelle :  

En  fonction  du  temps disponible  et  des  acquis  préalables  des  élèves,  il  est  possible,  à  ce moment  de  l’investigation,  de  consacrer  une  séance  entière  à  des  tests  permettant  à chaque groupe de choisir  les matériaux qui conviennent  le mieux au défi. Chaque groupe peut alors comparer pas à pas  les performances de sa maquette en  faisant varier un seul paramètre à  la  fois.  Il  est  alors nécessaire de  se poser  la  question du  temps d’exposition minimum pour atteindre une température d’équilibre à l’intérieur de la maison modélisée.  

 

Voici quelques paramètres qui peuvent être testés par les élèves : 

 

présence d’un double vitrage 

différentes associations de matériaux pour isoler en les ajoutant pas à pas : carton + laine de mouton… 

présence de matériaux foncés absorbant le rayonnement 

présence de matériaux réfléchissant le rayonnement (aluminium) 

 

 

Voici  des  exemples  de  prototypes  permettant  de  tester  différentes  associations  de matériaux ainsi que les relevés de températures effectués : 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phase 4 Test des maquettes et réalisation des affiches (30 min)  

L’enseignant  circule  dans  les  groupes,  et  une  fois  qu’il  juge  le  travail  suffisamment  avancé, propose de faire un point : où en sont les uns et les autres ? Comment ont‐ils prévu de tester leurs prototypes ? A quel endroit de la maquette ont‐ils choisi de mesurer la température ? Il demande aux groupes qui ne l’auraient pas fait de mettre par écrit leur protocole de mesure. 

 

Dès  que  les  maquettes  sont  finalisées,  dispositif  de  mesure  inclus,  elles  peuvent  être placées face à un spot pour procéder aux tests. 

 

Pour  la  suite,  chaque  groupe  désigne  un  responsable  des  relevés  de  température,  qui devra noter l’évolution de celle‐ci au cours du temps. Les autres procèdent à la réalisation d’une affiche ou d’un diaporama pour présenter leur prototype :  le support choisi devra comporter un schéma du dispositif, les résultats obtenus lors des mesures – du moins les premières valeurs si les relevés ne sont pas terminés. 

 

3. Mise en commun et conclusion  

Phase 5 Mise en commun des travaux (environ 20 min)  

Chaque  groupe  présente  à  tour  de  rôle  son  dispositif,  le  rôle  de  chaque  partie  de  la structure,  et  le  choix  des  matériaux.  Il  explique  également  le  protocole  adopté  pour  les mesures  de  performances  et  présente  les  premiers  résultats  obtenus.  L’enseignant  prend des notes et propose aux autres élèves de poser des questions ou de  faire des remarques (dire éventuellement s’ils ne sont pas d’accord avec la démarche du groupe en justifiant leur propos).  Il  pourra  rebondir  directement  lors  de  la  présentation  de  chaque  groupe  ou  au contraire choisir de  faire une synthèse à  la  fin des présentations  (remarques sur  tel ou tel type de disposition  et  choix  des matériaux,  protocoles,  la  température  initiale  a‐t‐elle  été relevée  ?  Et  celle  de  la  pièce  ?  Etc.).  Il  amène  également  les  élèves  à  relever  les  points communs  entre  les  prototypes  qui  ont  bien  fonctionné  :  présence  d’ouvertures  pour collecter le plus de rayonnement possible, et isolation du toit, du sol et des façades avec des matériaux isolants thermiquement pour limiter les fuites de chaleur vers l’extérieur. 

 

Une fois que les groupes ont tous effectué leur présentation, la discussion est ramenée à la problématique initiale, c'est‐à‐dire le concours de prototypes. Si  les élèves constituaient le jury de cette manifestation, sur quels critères éliraient‐ils le vainqueur ? Sont‐ils en mesure de le faire avec les expériences qui viennent d’être réalisées ? 

 

L’objectif  de  cette  discussion  est  de  revenir  sur  l’importance  d’adopter  un  protocole  de mesure de la température qui soit le même, et réalisé dans les mêmes conditions pour tous les groupes, afin que les résultats soient comparables. De plus, replacer la discussion dans son  contexte  initial  permet  d’ouvrir  la  réflexion  sur  d’autres  pistes  d’investigation  :  pour une habitation,  il  faut  non  seulement maintenir  une  température  adéquate  en milieu de journée, mais aussi le matin et l’après‐midi, et réduire les écarts de température intérieure entre  la  journée  et  la  nuit.  La  combinaison  de  ces  contraintes  amène  à  explorer  non seulement  les  propriétés  d’isolation, mais  également  d’inertie  thermique  des matériaux, l’orientation de la maison et la position des ouvertures. 

 

Note scientifique 

 

Les matériaux constituant  les parois du prototype ont un double  rôle  : en absorbant une partie  du  rayonnement  de  la  lampe,  ils  se  réchauffent  et  chauffent  l’air  à  leur  contact, contribuant ainsi à la hausse de température à l’intérieur du prototype ; à cela s’ajoute leur caractère isolant qui limite les échanges thermiques avec l’extérieur. 

 

Note pédagogique 

 

La montée  en  température  prend  du  temps.  On  peut,  pour  élire  le meilleur  prototype, repositionner les prototypes lors d’une prochaine séance face aux spots avant le début du cours – en veillant à ce que la position des thermomètres soit la même pour tous – et faire un relevé en fin de cours pour voir lequel a atteint la température la plus élevée. 

 

Conclusion – trace écrite  

Le professeur reprend les caractéristiques des maisons qui ont donné de bons résultats. La synthèse de celles‐ci peut faire l’objet d’une conclusion à noter dans le cahier de sciences, par exemple : 

 

Pour chauffer une maquette grâce à une source de lumière, il faut à la fois y faire entrer le plus de lumière possible, et  limiter  le transfert d’énergie thermique vers  l’extérieur de la maquette. Les critères à retenir sont : 

 

‐ Avoir des ouvertures en matériau transparent ; 

 

‐ Bien  isoler  les  murs,  le  sol  et  le  toit  de  la  maquette  en  utilisant  des  matériaux isolants thermiquement (polystyrène, laine, coton). 

 

 

4. Relance: c'est l'été ! (optionnelle)  

Relance (optionnelle, 15 à 45 min selon la version adoptée)  

Le professeur propose aux élèves une nouvelle situation : on est à présent en été, à midi. Le Soleil est haut dans le ciel.  Il  frappe principalement sur la toiture des prototypes et un peu sur  la  façade  sud.  Comment modifier  les maquettes,  sans  tout  reconstruire,  pour  qu’elles permettent cette fois de minimiser la température ? 

 

Selon  le  temps  imparti,  cette  relance  peut  se  faire  sous  forme  de  discussion  générale  ou  de nouvelles  expérimentations.  Pour  ces  dernières,  il  faudra  placer  les  spots  non  plus  face  à  la 

« façade  sud»  des  prototypes  mais  de  façon  à  éclairer  principalement  leur  «  toiture  » (position du spot au‐dessus des maquettes), à une distance inférieure à celle de la situation d’hiver, à déterminer en procédant à des tests en amont. 

 

En pratique, dans  la situation « été »,  les prototypes doivent avoir une bonne  isolation de leur toiture (ce qui est aussi nécessaire pour un bon prototype face à la situation « hiver ») et ne pas recevoir le rayonnement direct de la source lumineuse sur les ouvertures « vitrées ». L’ajout  d’un  auvent  au‐dessus  des  ouvertures  orientées  sud  est  un  moyen  simple  de transformer un bon prototype pour l’hiver en bon prototype pour l’été.